Ansys热分析教程第三章稳态热分析ppt课件.ppt

稳态热传递,稳态热传递,如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。由于热能流动不随时间变化,系统的温度和热载荷也都不随时间变化。由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为:输入的能量输出的能量=0,稳态热传递控制方程,对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:,相应的有限元平衡方程为:,热载荷和边界条件的类型,温度自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。均匀温度可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它也可以用于在非线性分析中估计随温度变化材料特性的初值。热流率是集中结点载荷。正的热流率表示能量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。这种载荷通常用于对流和热流不能施加的情况下。施加该载荷到热传导率有很大差距的区域上时应注意。,热载荷和边界条件的类型,对流施加在模型外表面上的面载荷，模拟平面和周围流体之间的热量交换。热流同样是面载荷。使用在通过面的热流率已知的情况下。正的热流值表示热流输入模型。热生成率作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。,热载荷和边界条件的类型,ANSYS热载荷分为四大类:1.DOF约束-指定的DOF(温度)数值2.集中载荷-集中载荷(热流)施加在点上3.面载荷-在面上的分布载荷(对流,热流)4.体载荷-体积或区域载荷,热载荷和边界条件的类型,热载荷和边界条件的类型,热载荷和边界条件注意事项在ANSYS中,没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。响应热流率只在固定温度自由度时使用。,热分析模板,建立模型指定分析名称和工作文件名。如果需要，记录单位制。进入前处理器定义单元类型，检查基本设置。如果需要，定义实参。定义材料特性。生成或导入模型。划分网格。,热分析样板,求解器定义分析类型，检查分析选项。施加载荷和边界条件。指定载荷步选项。执行求解。,热分析样板,查看结果进入通用处理器和/或时序后处理器。使用列表,绘图,等查看结果。查看误差估计。验证求解。,GUI和ANSYS命令,ANSYS是命令驱动程序。ANSYS命令可以手工输入，或用GUI(GraphicalUserInterface)输入或两种方法混用。GUI提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。,所有使用的命令列表在jobname.log文件中。,GUI和ANSYS命令,查看ANSYS输出窗口中命令执行和文字输出。,稳态热传导例题说明,分析过程中的每一步使用简单的例子说明。,高亮度的方框中标出了例子的步骤。,基本描述一个带有举行肋骨的长钢管从管中流动的热气体通过对流吸收能量。外表面暴露在大气中，热流从肋骨端部释放。.,稳态热传导分析实例,例题描述:热气体的温度是600F。内部的对流热交换系数是0.40BTU/hr-in2-F。外部大气温度是100F。外部的对流热交换系数为0.025BTU/hr-in2-F。每个肋骨端部热流为-20BTU/in2。分析目标:分析其中最小的循环部分，要求得到如下结果:1)温度场分布。2)肋骨上下端面的对流热耗散。,稳态热传导分析实例,下面是一个截面。,建模说明:内部对流载荷使用平面效果单元。使用“在线上施加对流”施加肋骨外表面上的对流载荷。在肋骨短部施加热流。假设钢管是非常长的，不考虑钢管端部的影响。只对最小的循环部分建模。,绝热对称边界,绝热对称边界,翅片端部的热流密度,对流面,对流面,简化成了最小的可重复2D几何模型。,稳态热传导分析实例,稳态热传导分析实例,稳态热传递例题的指导说明:使用最小的可循环部分求解下列问题:钢管/肋骨中的温度场分布钢管/肋骨的对流热损耗绘出钢管/肋骨面上的温度变化情况。使用轴对称的PLANE55单元划分网格。在钢管内荆使用带有附加结点的平面效果单元SURF151。假设为恒定的，各向同性的材料特性。没有随温度变化的特性。,高亮度的方框中标出了例子的步骤。,建模,热分析的第一阶段包括建模和划分网格。在本部分，我们要:指定文件名和标题。记录使用的单位。进入前处理器定义单元类型和基本选项。查看实参定义。定义材料特性。生成几何模型。划分网格。,建模设置GUI的菜单过滤选项,使用界面选项激活GUI菜单过滤;只有与热分析有关的菜单项可以显示和使用。如果不设置，所有的菜单都可以看到并使用。,激活热菜单过滤并单击“OK”。,建模指定文件名,定义新的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为jobname.ext，点取“YES”将重写文件名分别为jobname.log和jobname.err的命令记录文件和错误文件。,变换文件名为“stltube”,建模指定标题,为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部，并在载荷步文件和结果文件中显示。,输入标题:“Example-SteelTubewithFins”并单击“OK”。,建模单位,使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。,本例中使用的单位制记为British/Inches,缩写为“bin”,除了电磁场分析，用户不需“告诉”ANSYS你所使用的单位制。但是，你可以使用/UNITS命令记录你所使用的单位。一旦你决定了使用的单位制，请一直使用它。ANSYS不提供任何单位转换。选择的单位制将影响你的模型，材料特性，实参和载荷。再次使用/UNITS并不完成单位制转换。,建模单位,如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用线上文档。,要使用帮助，在输入窗口中输入“help,xxxxx”;“xxxxx”可以是单元类型(77),命令(/units),或单元类别(solid)。或者，使用UtilityMenuHelp下拉式菜单。,在输入窗口输入“help,/UNITS”查看线上文档。,建模单位,建模,现在，我们准备开始前处理.请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。,稳态热传递的例子。,前处理：建模定义单元类型,定义分析中使用的单元类型。,开始定义单元类型。注意现在还没有定义单元类型。单击“Add.”开始添加。,前处理：建模定义单元类型,使用HELP按钮得到单元库中的更多信息。缺省状态下，第一个定义的单元类型其单元类型号为1。如果GUI菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出来。,选择热实体单元PLANE55作为单元类型,单击“Apply”。,选择一个类别,然后选择本类别中的单元类型,前处理：建模查看并选择基本选项,关键选项关键选项或KEYOPTs是与单元类型相关的选项。查看或修改关键选项的方法是选择下图中的“Options”:,查看PLANE55缺省的基本选项。,前处理：建模查看并选择关键选项,使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。,改变单元特征。本例题需要轴对称单元。缺省值为平面单元。,前处理：建模表面效应单元,表面效应单元-介绍表面效应单元象“皮肤”一样附着在实体单元的表面，经常用来施加载荷。表面效应单元为施加面载荷提供了更多的方式，特别是当在同一区域施加对流和热流两种载荷时。一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表周围流体的介质温度。该“附加”结点同样对结果评估带来方便。,前处理：建模表面效应单元,表面效应单元-介绍表面效应单元可以用来施加热生成载荷。当对流换热系数随温度变化时，表面效应单元很方便;基本选项的不同设置使得评估结果时选项也不相同。,注：表面效应单元在第7章中还有更详细的解释。,前处理：建模表面效应单元,表面效应单元和对流对流载荷可以直接施加到表面效应单元，实体单元或几何模型实体上。在SURF151上使用“附加结点”选项可以在“附加结点”上指定结点温度，相当于周围介质的温度。,注:本例题实际上不需要使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf和Tb为已知)。但是，在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便地得到热能耗散数值。,前处理：建模定义单元类型,注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型2。,定义热表面效应单元SURF151。这是本例中的第二种单元类型。,前处理：建模查看并选择基本选项,查看SURF151单元的缺省基本选项并单击“Options”。,前处理：建模查看并选择关键选项,将单元行为从平面改变为轴对称。注意K4的改变,移去中间结点；K5的改变,对流计算中包含附加结点。结束后单击“Close”。,前处理：建模定义并检查实常数,实常数实常数是指定单元类型的几何特征。并不是所有的单元类型都需要实常数。有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。第一个定义的实常数缺省指定为实常数号1。,前处理：建模定义并检查实常数,检查需要的实常数。注意现在没有定义任何实参。单击“Add.”开始。,前处理：建模定义并检查实常数,定义实常数:首先选中要定义实常数的单元类型然后，在对话框中输入相应的数字以定义实常数。,例题中的单元类型都不需要实常数。,注：如果有热生成载荷（HGEN）施加到表面效应单元上时，必须指定厚度。,前处理：建模定义并查看材料特性,稳态热分析中关于材料特性的总体说明对于稳态分析，热材料特性必须输入热传导率“k”-KXX,和可选的KYY,KZZ。如果用户不定义，KYY和KZZ缺省等于KXX。密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热分析中不需要。随温度变化的材料导热系数k,使得热分析为非线性。与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。,前处理：建模定义并查看材料特性,在ANSYS中定义材料特性的选项:在材料特性对话框中输入需要的数值。从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后用。,前处理：建模定义并查看材料特性,要从材料库中读入材料特性，只要指定包含所需数据的文件路径和文件名即可。,前处理：建模定义并查看材料特性,要手工输入材料特性，首先选择MaterialModels菜单，并双击树状结构以获得该分析所需的材料行为方式(均匀各向同性，均匀各向异性，对温度变化).,本例中使用的材料特性是均匀各向同性的。第一种材料缺省的材料号为1。,前处理：建模定义并查看材料特性,然后，在对话框中输入需要的数值.,对于均匀各向同性的稳态热分析，只需要KXX的数值。,本例中使用钢的热传导率为0.75BTU/hr-in-F,前处理：建模随时间变化的材料特性,对于随时间变化的材料特性，先要定义指定数值所对应的温度.,只是举例，不要使用这些数据。,前处理：建模随温度变化的材料特性,然后，点击“Graph”按钮，可画出材料特性随温度变化的图形。,只是举例，不要使用该数据。,前处理：建模使用随温度变化的材料特性,ANSYS如何使用这些数据?随温度变化的材料特性在每个单元中计入一次。在单元体内材料特性假设为均匀的。对于给定的单元，其温度为:,前处理：建模列出材料特性,可以选择下列菜单列出材料特性.,与温度相关的材料属性也可列出,前处理：建模删除材料特性,材料特性可以单独删除，或使用下面的菜单删除多个材料特性:,前处理：建模使用输入的几何模型,几何模型可以从多种CAD程序的标准图形文件输入到ANSYS。使用FileImport菜单选项:,注:下面的对话框是选择了IGES格式后弹出的。,前处理：建模生成几何模型,几何模型可以在ANSYS中生成。在这里我们使用基本图素来生成例题中的模型。,使用预先定义的体生成两个面，并如例题中所示输入尺寸。,前处理：建模生成几何模型,输入矩形角点坐标。ANSYS将生成该矩形和其中的线和关键点。选择“Apply”使对话框保持打开。选择“OK”关闭对话框。,前处理：建模生成几何模型,图示面。ANSYS在生成两个矩形后会自动生成右面的图形。图形会自动缩放到当前的图形窗口中。,前处理：建模生成几何模型,布尔操作如相交,相加,相减,分割,粘接,覆盖和分离等都能够用于对几何模型进行操作。,使用BooleansOverlapAreas命令以生成需要的几何模型。,前处理：建模生成几何模型,“PickAll”选择了两个面进行覆盖操作并执行该命令。,前处理：建模生成几何模型,使用PlotControlsNumbering命令打开面号。显示颜色和号码(/NUM)。,要清楚地看到每个实体，打开UtilityMenu中的号码控制。,前处理：建模生成几何模型,覆盖操作后绘制面，面号选项打开，号码和颜色都显示。,前处理：建模布尔操作的总体说明,缺省情况下，布尔操作的输入实体在操作完成后删除。删除的实体号码将为“空”。也就是说，它将会被重新赋值给布尔操作新生成的实体，从最小可用号码开始。对面进行覆盖操作时，在原来面的重合区域将生成一个新的面。然后，其他新的面积将通过在原来面积上挖去这一公共区域而形成。所有的面将共用边界线和关键点。要复习布尔操作的步骤，请参看如下文档：ANSYS在线帮助ANSYS建模和分网手册,前处理：建模定义属性,单元属性单元属性是在划分网格之前要定义的模型特性。包括:材料特性单元类型实参单元坐标系每个特定的属性类型在一个模型中都有一个独立的参考号。,前处理：建模定义属性,单元属性(续)单元属性可以使用AttributesDefine或使用MeshTool指定。MeshTool更方便，因为网格控制等后续的工作在MeshTool中同样可以设置。当使用多个单元类型，材料或实参时，保证不同特性对应相应的模型区域。单元属性可以列表和绘图以方便检查模型。属性可以全局的设置，也可以在划分网格之前设置给特定的体，面，线和关键点。,前处理：建模定义属性,使用MeshTool定义属性:,选择要设置属性的实体,前处理：建模定义模型属性,设置属性时，使用下拉式菜单查看选项，并选择合适的数值。,注：在本步之前应该已经定义好了单元类型，材料和实常数。,注：ESYS主要用于各向异性材料的定义。,前处理：建模设置网格控制,网格划分需要如下的步骤：1)设置单元属性。(单元类型，实常数，材料特性)2)设置网格控制。设置控制网格大小(网格密度)和网格形状的选项。3)存储数据库(可选)。4)生成网格。,前处理：建模设置网格控制,ANSYS网格划分(续):如果不设置网格控制时划分网格，网格将具有如下特征:将是自由划分，而不是映射划分。单元大小由ANSYS确定(基本满足普通的计算精度要求)。单元类型将根据几何结构和所定义单元类型的维数来确定，缺省为单元类型1。单元属性将缺省为：材料1，实常数1。有许多方法设置网格控制。参考ANSYS建模和分网手册以得到更多的解释。,缺省状态下，网格属性设置为单元类型1，材料1和实参1，因此在例题中不需要重新定义。,前处理：建模设置网格控制,下一步是设置划分网格的大小(网格密度)。全局大小是用于生成均匀大小的网格。,例题中全局网格长度设置为0.06。,前处理：建模划分模型,使用MeshTool,指定:1)Mesh:areas2)Shape:quad3)Mesher:mapped;3or4sided4)在选择菜单中选择“PickAll”5)关闭MeshTool,前处理：建模划分模型,得到的单元绘图如下。,前处理：建模划分模型,继续划分网格;生成表面效应单元生成表面效应单元中的注意事项:在生成平面效果单元之前，需要先作一些另外的前处理工作:设置属性为使用单元类型2,SURF151。生成“附加结点”(KEYOPT5)。表面效应单元将使用面上现有的结点生成，并且参考“附加结点”。,前处理：建模划分模型,定义划分网格的属性使用菜单AttributesDefine如下:,单元类型号设置为:2SURF151,前处理：建模划分模型,图示结点注:由于使用现有的结点定义表面效应单元，将图形转换到结点图可以方便选取需要的结点。,前处理：建模划分模型,生成定义SURF151需要的“附加结点”。注:使用直接生成来生成附加结点。当前坐标系是全局笛卡儿坐标系。,前处理：建模划分模型,注:这里，选择结点号1000,比其他任意结点号码都大，以使得“附加”结点容易辨认。如果该域空白，则下一个可以使用的结点号码将赋值给新的结点。,注:“附加”结点的位置是可选的，这里是x=1.0,y=2.5。,前处理：建模划分模型,节点图将自动更新以包括新的结点。使用BoxZoom或其他Zoom命令查看需要看清的部分。,前处理：建模划分模型,现在已经准备好生成表面效应单元。,生成表面效应单元,前处理：建模划分模型,使用Box选择选项只选择管内部的结点生成平面效果单元。,前处理：建模划分模型,检查所有9个结点是否全部选中;单击“Apply”,前处理：建模划分模型,使用鼠标点取附加结点，或在输入窗口中输入1000。然后，单击“OK”。,前处理：建模用绘图方法检查属性,可以打开NumberingControls用绘图方法检查属性。只需要打开特定实体的on/off开关并选择使用和种方式。,要检查单元类型是正确指定的，只要打开基于单元类型号的号码显示即可。,前处理：建模用绘图方法检查属性,在本例中，用绘图方法检查单元类型是否正确指定。注:在本例中，我们如果不在划分网格之前将单元属性改变的话，就无法得到单元类型2,SURF151单元。,前处理：建模用绘图方法检查属性,使用/SHOW命令切换到向量绘图。要使得号码更容易阅读，设置PlotControlsDeviceOptions中的选项。,在此，切换到向量图将生成单元的边框图。,前处理：建模用绘图方法检查属性,单元以向量方式绘制，单元类型用颜色和号码打开来区别。,使用命令/SHOW重新设置绘图选项。,求解过程,求解过程我们现在将要开始热分析的下一个分析过程；求解过程在本步，我们要:定义分析类型，检查分析选项施加载荷和边界条件进行求解,求解过程定义分析类型,指定这是一个新的分析，类型为稳态分析(这是缺省值)。,求解过程定义分析选项,分析选项对于只有一个载荷步的线性，稳态，热分析，只需要设置方程求解器。其他分析选项如牛顿-拉夫森选项和温度偏移设置，只在非线性辐射问题中需要，在后面的章节中讨论。,注:在ANSYS5.5及以上版本中,当求解控制打开，缺省求解器为稀疏矩阵求解器,求解过程定义分析选项,检查温度偏移;通常在辐射问题中需要。,改变到迭代求解器求解大的3-D模型。,求解过程定义分析选项,求解器下列求解器可以选择*:波前求解器(缺省)雅可比共轭梯度求解器(JCG)JCG外存求解器不完全的Cholesky共轭梯度求解器(ICCG)预条件共轭梯度求解器(PCG)PCG超内存求解器迭代(快速求解;自动求解器选择),*假设没有具有热效应的质量传输,求解过程定义分析选项,迭代(快速求解)选项快速求解选项可以用于除了以下情况的任意线性，非线性，稳态或瞬态热分析：不能用于辐射计算。不推荐用于带相变的热传递问题。,注:本选项不生成jobname.emat和jobname.erot文件，从而节约机时和硬盘空间。分析重启动在使用快速求解选项时不能使用。,求解过程定义分析选项,使用快速求解选项时，必须指定精度级别。,求解过程定义分析选项,温度偏移温度偏移是指绝对零度和所使用温度系统的零度之间的差值。温度偏移可以使用分析选项菜单指定，或使用命令OFFST,value。温度偏移是可选的，但在下列情况下必须使用：有辐射效果，并且使用了F或C。使用了随温度变化的热生成率(MASS71)。,例题中使用了BIN单位和华氏温度。华氏温度比列氏温度要偏移460度。,求解过程施加热载荷和边界条件,几何模型载荷和有限元模型载荷温度载荷可以施加到几何模型和/或有限元模型上。几何模型载荷独立与网格划分。网格可以改变但载荷保持不变。几何模型载荷比较容易施加，特别是在图形窗口选择时。在关键点上施加温度时要当心。使用扩展选项将温度扩展到线上的所有结点上，而不是只施加到线段的终点上。在同一区域内，几何模型载荷比有限元模型载荷优先施加。,求解过程施加热载荷和边界条件,常量数值和表格输入使用表格数组参数，同样使用相应的命令和菜单选项。但是，不是指定实际的数值，而是指定表格数组的名字。新表格可以在交互施加载荷时选择“newtable”选项。一系列的对话框将引导用户定义表格。这些特性同时适用于几何模型和有限元模型。表格输入的其它细节可以参考第6章。,求解过程施加热载荷和边界条件,节点温度设置温度约束(DOF约束)指定于模型中已知温度的部分。指定到几何模型(关键点，线，面)的温度在求解之前将转换到节点上。,求解过程施加热载荷和边界条件,节点温度指定温度约束(DOF约束)指定于模型中已知温度的部分。,注:当GUI过滤设置到热时，只有热载荷出现的“Apply”菜单里。,求解过程施加热载荷和边界条件,均匀初始温度使用说明:均匀温度可以施加到没有温度约束的节点上。设置初始温度有两种基本原因:作为瞬态分析第一个载荷步的起始温度。在非线性分析中估计随温度变化的材料特性的初始值。,注:第4，5章详细讨论了初始条件荷均匀初始温度的细节。,求解过程施加热载荷和边界条